第三章 系统总体方案设计
输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。
编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。
PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。
图3-1 PLC循环扫描工作图
实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。如图3-1： 3.3PLC的特点及应用
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下：
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(1)抗干扰能力强，可靠性高。 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I／0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。 继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
(2)控制系统结构简单，通用性强。PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V，直流24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。
(3)编程方便，易于使用。PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
(5)功能完善。PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。
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第三章 系统总体方案设计
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
(1)开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 (2)模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
(3)运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(5)数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 (6)通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
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3.4 系统可靠性设计
用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。
（1）硬件方面
PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。
PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。
在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。
有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。
还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。
（2）软件方面
PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。
为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了看门狗（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。
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第三章 系统总体方案设计
PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。
PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。
正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。
曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。
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